1、- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC1第四章第四章直流直流直流（直流（DC-DCDC-DC）變換電路）變換電路- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC2n由圖可知，變換器的輸入是由電網電壓整流而來的不控直流電壓，變換電路的功能是通過控制電壓Ucon將不控的直流輸入變為可控的直流輸出，通常把這種電路稱為斬波電路或DCDC變流電路。 - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC3n在開關式直流電源中，一般都需用變壓器進行隔離。n下面討論最常用的降壓式、升壓式、升降壓式、庫克式和全橋式五種DCDC變換電路。n上述五種變換電路中，降壓式和升壓式是基本型式，升降壓式和庫克式是它們的組合

2、，而全橋式則屬于降壓式類型。 - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC4一、一、 基本控制方式基本控制方式 DCDC變換電路的控制原理1、時間比控制、時間比控制 0 01TontUudtEETT頻率控制、頻率控制、 混合控制混合控制 脈寬控制、脈寬控制、- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC52、瞬時值控制、瞬時值控制 - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC6二、基本二、基本DC-DCDC-DC變換器變換器 (1) VT1，VT2均不通均不通 , E經經 VD1，L1，R、L對對C充電；充電；(2) 觸通觸通VT1，負載上有電壓，負載上有電壓， VD1截止，截止，C無放電

3、回路；無放電回路；(3) 觸通觸通VT2，C經經VT2與與L1形成形成 諧振，諧振，C放電并反向充電，上放電并反向充電，上(-)下下(+)，負載仍有電壓；，負載仍有電壓； (4) uc=-E時，時，ic=0，VT2斷，斷，uc經經VD1反壓加至反壓加至VT1，VT1關斷；關斷；(5) VT1斷后，斷后，VD2通，通，C經經L1、VD1、L2、VD2回路諧振，回路諧振，uc由由 -E上升到上升到E，uc=E時，時，ic=0，停止向負載輸出；，停止向負載輸出；(6) 負載電流經負載電流經VDF續流。續流。 1 1、晶閘管降壓斬波器、晶閘管降壓斬波器 - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC7

4、2 2、BuckBuck（降壓型）變換器（降壓型）變換器 (1) (1) 電流連續時電流連續時 電感電壓一周期內積分平均為零電感電壓一周期內積分平均為零00()()0onoffEUtU t 0onononoffUttEttT00EIU I輸入、輸出功率相等輸入、輸出功率相等 001IEIU降壓降壓 “ “直流直流”變壓器變壓器 - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC8圖4-5 Buck變換器工作模式及電流連續時各點波形(a)導通（ton）模式；（b）關斷（toff）模式；（c）各點波形- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC9(2) 電流斷續時電流斷續時圖4-6 電流臨界連續波形

5、圖4-7 電流斷續時波形電流連續與否的臨界狀態是VT關斷結束時（或導通開始時）電感電流 ，如圖4-6。根據導通（ton）模式的電感電壓方程，可計算出臨界連續時電感電流平均值ILB0Li - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC100011 ()1()222onLBLPEU tIiEUTLL因電流連續，有U0=E，則上式可進一步化為(1)2LBETIL在E、T、L不變時，這是一個關于占空比的凸形函數，可以求出=0.5時候具有電流極值max8LBETILmax4(1)LBLBII- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC11 如果在電流臨界連續狀態下保持T、L、E及不變，減少輸出負載電流

6、（使負載功率減小，即增大負載電阻），此時電感電流平均值IL將小于臨界平均值ILB，BUCK變換器進入電流斷續運行狀態，波形如圖4-7所示。一個周期內，電感電壓積分為0的條件可以表示為：001()()0EUTUT 或者是：01UE上式就是電流斷續時BUCK變換器的輸入輸出關系，但是仍然需要解決1- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC12在VD導通的1T期間，電感電流在-U0作用下線性衰減，則電流斷續下電感電流峰值iLP可寫成為01LPUiTL因此電流斷續時候電感電流平均值因此電流斷續時候電感電流平均值IL0可表示為可表示為100111max1()4222LLPLBU TETIiILL 故

7、有01max4LLBII2020max14LLBUIEI(1)2LBETILmax4(1)LBLBII01UE- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC13（3） 濾波器的設計為了獲得平直的直流輸出電壓U0，應設計好輸出低通濾波器，可以通過對電流連續時輸出電容電壓UC紋波的計算來估算L、C值。按照電路拓撲，iL=i0+iC，電感電流的脈動成分iL全部流入電容，即IC=IL，穩定運行時流經電容電流的平均值應為0。因而可從圖上可以看到半周期內(1/2)T內電容電量的變化為1()222LCITQ18CCLQUI TCC- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC14紋波電流IL可通過關斷模式下

8、差分形式電壓方程求得，即0=1LLoffIILLUtT（）0=(1)LUITL所以可以推出：201(1)8CUTULC這樣，按照期望的紋波比例、斬波周期T及占空比，大體確定出LC的值。- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC15例 有一理想Buck變換電路，斬波頻率20kHz，濾波元件參數為L=2mH，C=220F。若電源電壓E=12V，希望輸出電壓UO=5V，輸出平均電流IO=200mA，試計算：1）電感上電流紋波；2）輸出電壓紋波比值 。UcUo解： 1）斬波周期 5353252364115 1020 105=0.417125(1)(1 0.417) 5 100.07292 1011

9、2)(1)(1 0.417) (5 10 )88 (2 10 ) (220 10 )4 100.04%OOLTsfUUITAUcTUoLC 導通比 EL- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC163 3、升壓（、升壓（Boost)Boost)斬波器斬波器 利用電感中的儲能釋放時產生的電壓來提高輸出電壓利用電感中的儲能釋放時產生的電壓來提高輸出電壓 工作原理：工作原理： (1) V導通，導通，E加至加至L，L開始儲能，開始儲能，iL上升，上升，C向負載放電，向負載放電，VD關斷。關斷。 (2) V關斷，關斷，iL不變，則感應電勢，和不變，則感應電勢，和E疊加供給負載。疊加供給負載。C充電，

10、充電，uc上升，上升， L能量能量 C和負載和負載 - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC17電感能量：電感能量：outinWW 11onoffooffoffttTUEEEttinLonWE ItV導通：導通：()outoLoffWUEItV關斷關斷：輸入、輸出功率相等輸入、輸出功率相等00EIU I001IEIU 升壓升壓 “ “直流直流”變壓器變壓器 - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC18- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC19電流斷續時的分析電流斷續時的分析如果將負載電阻加大，那么流過回路的電流會減小，就有可能會出現當VT管關斷之后的一小段時間內，電感內的電

11、流就為0，有一段時間是沒有電流提供給負載，主要是靠恒定電壓源提供負載電流。EiLPuLiLiLB(E-U0)tontoffTEiLPuLiLIL(E-U0)tonTtt1T2T電流臨界連續電流臨界連續電流斷續電流斷續- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC2000111(1)(1)2222onLBLPEtU TIiUTLLLLBI根據導通（ton）模式的電壓方程，可以計算出臨界連續時電感電流平均值電流連續時候輸入、輸出電流關系，求出臨界連續時輸出電流平均值001IEIU 200(1)(1)2BLBU TIIL應用中一般保持E恒定，改變占空比來調節電壓U0，此時，ILB、I0B為占空比的凸

12、函數，可求得其極值。00=0.5;821=327U TLU TLLBmaxOBmax當時，I當時，I- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC21這樣，電感輸入平均電流ILB，輸出平均電流I0B用其最大值分別表示分別有max200max4 (1)27(1)4LBLBBBIIII如果保持輸入電壓E，不變，減小負載電流，實際上也是減少電感的輸入電流平均值，使ILILB或I0I0B，就會有電感電流斷續的現象。根據一個周期內電感電壓積分為零，可以求得電流斷續時候BOOST變換器輸入、輸出關系。01011011()0LETEUTUEII- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC223. 電容C、

13、電感L的估算通過對電流連續時電感電流iL的紋波IL及電容電壓uC的紋波Uc估算，可以大致確定Boost變換器中L、C之值。uLE0(E-U0)tontoffI1 I2ILI2I1 iL iUC0000ic(I2-I0)UcU0- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC23根據上面的圖，可以求出電感電流的紋波0()onLoffEtILEU t 000000()()1LonoffLILUTttE UEE UEEIfLUfLUEfTU 式子中，- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC24根據導通模式，ton期間負載電流由電容電流提供，若忽略負載電流紋波，則有ic=I0，此時電容上的電量變換

14、反映電容電壓的峰峰值脈動紋波1000000000011=,()=tontCCononCIUi dtI dttCCCUEtTU fI UEIUfCUfC因則- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC254、升降壓斬波電路、升降壓斬波電路(Boost-Buck Chopper) L和和C很大很大 電感電流電感電流iL和負載電壓和負載電壓uo基本為恒值基本為恒值工作原理工作原理 ： V通通時時 E經經V向向L供電使其貯能，電流為供電使其貯能，電流為i1 C維持輸出電壓恒定向負載供電維持輸出電壓恒定向負載供電 V斷斷時時 L的能量向負載釋放，電流為的能量向負載釋放，電流為i2 負載電壓上負下正負載

15、電壓上負下正VDERLa)CVi1i2uLuoILotb)oti1i2tontoffILILTLtu00d穩態時穩態時offoontUtEEEtTtEttUononoffono10 1/2時：為降壓時：為降壓1/2 1時：為升壓時：為升壓 - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC26- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC27輸入、輸出關系輸入、輸出關系CUK變換器輸入、輸出關系是通過分別對電感L1、L2在導通（ton）與關斷（toff）模式變換中，電流紋波及電容C1電壓平均值UC1的分析導出來的。（1）L1中電流變化1211111LLononIIIELLtt11onLItE111

16、1111111, 1()=CoffoffCCofftonIEULtItLCEUEUtEILL故有為電容電壓平均值。Ton期間期間Toff期間，期間，V關斷，關斷，VD導通導通,(1) ,onofftT tTC1代入上面式子：E(1-2 )U =1- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC28（2）L2中電流變化Ton期間變換器導通，電感電流iL2線性增長222121022LLCononIIIUULLtt22onC10LL故有 t =U -U22212022220,(1)LLoffoffoffIIIULLttItLtonT toffTU 0C1將代入得：U (1-2 )U =-Toff期間，

17、變換器工作在關斷模式從電容C1兩側電感L1、L2電流變化的角度描述同一個電容電壓平均值UC1，兩個值是相等的，因此可以得到01-2(1 2 )101UEUE （），可推得- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC29- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC303.1.4 Speic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC31- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC323.2.1 電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路 斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動降壓斬波電路拖動直流電動機時，如圖3-1所示，電動

18、機工作于第1象限圖3-3所示升壓斬波電路中，電動機工作于第2象限電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合，拖動直流電動機時，電動機的電樞電流可正可負，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限- -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC33V1和VD1構成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第1象限V2和VD2構成升壓斬波電路，把直流電動機的動能轉變為電能反饋到電源，使電動機作再生制動運行，工作于第2象限tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR圖3-7 電流可逆斬波電路及其波形a） 電路圖 b） 波形

19、3.2.1 電流可逆斬波電路 - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC34必須防止V1和V2同時導通而導致的電源短路只作降壓斬波器運行時，V2和VD2總處于斷態只作升壓斬波器運行時，則V1和VD1總處于斷態第3種工作方式：一個周期內交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作當降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。以圖3-7b為例說明。在一個周期內，電樞電流沿正、負兩個方向流通，電流不斷，所以響應很快。3.2.1 電流可逆斬波電路 - -電力電子技術電力電子技術- -DC-DC35降壓斬波電路降壓斬波電路升壓斬波